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Piscina de combustible nuclear gastado

Plutonio

Plutonio

El plutonio es un elemento químico, generalmente de origen artificial, que se utiliza como combustible nuclear en la fabricación de armas nucleares.

El símbolo de este elemento químico es Pu y su número atómico es el 94. Se trata de un elemento que pertenece a la serie de los elementos actínidos. El plutonio tiene 16 isótopos, todos ellos radiactivos. El elemento es un metal plateado y presenta 5 estructuras cristalinas diferentes.

Químicamente el plutonio es un material muy activo. Puede formar compuestos con todos los elementos no metálicos, excepto los gases nobles. El metal se disuelve en ácidos y reacciona con agua, aunque moderadamente en comparación con los ácidos.

Aunque se pueden encontrar trazas en la naturaleza, todos los isótopos de plutonio son de origen artificial.

Isótopos del plutonio

El isótopo con mayor interés químico es el plutonio-239. Se forma en los reactores nucleares. Es un isótopo fisionable pero puede capturar también neutrones para formar isótopos superiores. En el campo de la energía nuclear, el plutionio-239 se emplea como combustible nuclear en la producción de isótopos radiactivos para la investigación y como agente fisionable en armas nucleares.

El plutonio-238 se utiliza en fuentes de calor para aplicaciones espaciales, generadores de calor termoeléctricos y se ha empleado en marcapasos cardiacos.

Una característica importante de muchos de los isótopos del plutonio es que presentan el fenómeno de la fisión espontánea, en el cual se puede dividir el núcleo atómico de forma espontánea sin necesidad de ser bombardeado por ningún neutrón.

Origen y obtención

El plutonio se obtiene al quemar el combustible nuclear se quema en los reactores nucleares convencionales. El combustible irradiado procedente de los reactores nucleares está formado fundamentalmente por uranio (con un porcentaje del 96%, aproximadamente) y plutonio (con un porcentaje algo inferior al 1%).

El combustible gastado se puede gestionar de dos formas distintas en el largo plazo:

  • Gestión de ciclo abierto. En el ciclo abierto se considera que el combustible gastado es un residuo radiactivo de alta actividad desde el momento de su descarga del reactor y se almacena de manera definitiva.
  • Gestión de ciclo cerrado. El ciclo cerrado consiste en someter al combustible gastado a un proceso mecánico-químico, conocido como reelaboración o reproceso, que permite separar al uranio y plutonio que aun contienen productos de fisión y transuránicos. El uranio y plutonio recuperados se emplean para fabricar nuevo combustible y los productos de fisión y los transuránicos constituyen el residuo nuclear de alta actividad.

Usos del plutonio

Los usos más importantes del plutonio dependen de dos de sus propiedades. Primero, la radiación emitida genera mucho calor, energía térmica. De hecho, el plutonio emite tanto calor que el metal se siente cálido cuando se toca. Si se coloca una gran pieza de plutonio en el agua, el calor liberado puede hacer que el agua hierva.

El plutonio proporciona energía eléctrica en sondas espaciales y vehículos espaciales.

La capacidad del plutonio para generar calor lo convierte en un material idóneo para utilizarlo en aplicaciones de generadores termoeléctricos. Un generador termoeléctrico es un dispositivo que convierte el calor en electricidad. Generar electricidad a través de un generador de este tipo no resulta práctico a gran escala. De todos modos, resultan muy interesantes en determinadas condiciones. Estos generadores termoeléctricos se han utilizado en marcapasos artificiales para personas con afecciones cardíacas. El isótopo más utilizado para esta aplicación es el plutonio-238 porque la radiación que emite no representa una amenaza para la salud de las personas.

El plutonio también se usa como combustible en plantas de energía nuclear y en la fabricación de armas nucleares ("bombas atómicas"). El isótopo utilizado para este propósito es el plutonio-239. Se utiliza porque sufrirá fisión nuclear. Muy pocos isótopos sufrirán fisión nuclear.

Función del plutonio en los reactores nucleares

A medida que se va generado plutonio en el interior del combustible de los reactores nucleares, también se fisiona, colaborando con el uranio en la producción de energía. Durante el proceso, también se originan otros isótopos; algunos son absorbentes de neutrones y otros son isotopos fisionables.

Dependiendo del tiempo de irradiación o del o grado de quemado a que se llegue la proporción de estos isótopos de plutonio en el combustible. A quemados reducidos la proporción de los isótopos fisibles es muy alta, mientras que a quemados altos esta proporción se reduce.

En los reactores nucleares comerciales, los elementos combustibles permanecen en el reactor largos tiempos hasta que la acumulación de productos de fisión y el consumo del material fisionable anulan su contribución al funcionamiento del reactor.

Gestión del plutonio recuperado en los reactores nucleares

En el combustible gastado quedan entre 7 y 8 kilogramos por tonelada de plutonio sin quemar. Este plutonio, recuperado en el reproceso, se puede usar para sustituir el uranio- 235 en el combustible nuclear, fabricando pastillas de óxido de uranio y óxido de plutonio mezclados, (combustible MOX).

El combustible MOX puede sustituir al combustible de uranio enriquecido en los reactores nucleares de agua ligera.

Peligrosidad sobre la salud

El plutonio es radiactivo y tóxico. Pero, aunque a veces se ha descrito en los medios como la sustancia más tóxica conocida por los humanos hay sustancias que los son mucho más. El radio de ocurrencia natural es alrededor de 200 veces más radiotóxico, y algunas toxinas orgánicas como la toxina botulínica son billones de veces más tóxicas.

El principal tipo de radiación que emite (radiación alfa) no atraviesa una hoja de papel, es decir, una fina capa de un material puede parar la radiación. No puede atravesar la piel.

Lo que hace realmente peligroso al plutonio es su radiotoxicidad. La radiación que emite (radiación alfa) cuando se ha ingerido o inhalado, puede producir cáncer de pulmón o cánceres de otros tipos según donde esté depositado en el cuerpo. En cantidades considerablemente mayores pueden causar envenenamiento agudo por radiación y muerte si son ingeridos o inhalados.

Este material ha sido usado para la fabricación de armas nucleares y explosivos durante un largo tiempo. En las pruebas atmosféricas de bombas atómicas se han liberado grandes cantidades de material radioactivo que posteriormente caen y se depositan en el suelo.

No es probable que los seres humanos se vean expuestos al plutonio, pero a veces tiene lugar como resultado de escapes accidentales durante su uso, transporte o vertido.

Cuando se respira, el plutonio puede permanecer en los pulmones o moverse hasta los huesos u otros órganos. Generalmente permanece en el cuerpo durante mucho tiempo y expone a los tejidos del cuerpo continuamente a radiación. Después de unos pocos años esto podría resultar en el desarrollo de cáncer.

El plutonio puede afectar la habilidad de resistir enfermedades y su radioactividad puede causar fallo reproductivo.

Efectos ambientales

El plutonio se encuentra presente de forma natural en cantidades muy pequeñas. Sin embargo, el elemento tiene otras vías de entrada en el medio ambiente a través de escapes de reactores nucleares, plantas de producción de armas atómicas, e instalaciones de investigación. Especialmente en las pruebas de armas nucleares.

El plutonio puede entrar en las aguas superficiales por escapes accidentales y vertidos de desechos radioactivos. El suelo puede contaminarse con el material radioactivo a través de la lluvia radiactiva durante las pruebas de armas nucleares. El material se mueve lentamente hacia abajo en el suelo, hasta las aguas subterráneas. Las plantas absorben bajos niveles de este material, pero estos niveles no son lo suficientemente altos como para provocar biomagnificación del plutonio en la cadena alimenticia, o acumulación en los cuerpos de animales. 

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Referencias

Yosoynuclear - Preguntas y respuestas sobre el plutonio

Lenntech - Plutonio - Pu

Última revisión: 1 de agosto de 2019